En Tunisie, l’importante pénurie en eau due à plusieurs années de sécheresse a touché énormément les activités économiques et domestiques; elle a été à l’origine des fréquentes coupures en eau enregistrées dans tout le pays. Ainsi, l’exploitation des eaux souterraines est devenue une nécessité pour combler le besoin en eau. Cependant, la réussite de cette stratégie demande une bonne compréhension de la structuration profonde et de son effet sur les caractéristiques des aquifères afin d’assurer le succès des forages à réaliser. Dans ce contexte, est réalisé le présent travail qui intéresse la région de Bir M’Chergua située au nord-est de la Tunisie (Fig. 1) à cinquante kilomètres de la capitale et qui constitue un important pôle économique comportant différentes activités industrielles, agricoles et touristiques. Par ailleurs, Bir M’Cherga est caractérisée par la station thermale du Jebel Oust connue mondialement pour ses soins thérapeutiques.

Ce travail mené en collaboration entre l’Unité de Recherches de Géophysique Appliquée aux Matériaux et Minerais, le Centre de Recherches et de Technologies des Eaux, le Commissariat Régional de Développement Agricole de Zaghouan et l’Office National des Mines, vise à établir une carte structurale dans la région de Bir M’Chergua qui servira comme un document de base qui permet d’orienter les programmes d’exploitation des aquifères dans cette région. Cependant, les traits tectoniques profonds responsables de la structuration d’un aquifère ne peuvent pas être déterminés seulement par les données de forages; c’est pour cette raison que nous avons eu recours à la méthode gravimétrique appliquée avec succès dans différentes études hydrogéologiques (Najine et al., 2006; El Goumi et al., 2010; Ouerghi et al., 2013).

La région de Bir M’Chergua constitue un point de convergence des principales zones structurales de la Tunisie: la plateforme pélagienne (Sahel), la partie nord de l’Atlas (Atlas septentrional), l’Axe N-S et la faille de Zaghouan (Fig. 1a). Cette région est caractérisée par différents traits tectoniques (Fig. 1b); les plus importantes sont les anticlinaux de Jebel Oust, Jebel Aziz et Jebel Ez Zebbas, les synclinaux de Henchir el Morra-Jebel Es Sba, de Bled el Mengoub et de Khelidia –Ain el Djour et le faisceau de failles transverses de direction NW-SE qui tronque au Sud le dôme du Jebel Oust tout en mettant en contact les dépôts crétacés inférieurs et ceux d’âge Eocène (Fig. 2).

Du point de vue stratigraphique, les affleurements géologiques dans le secteur d’étude s’étendent du Trias au Quaternaire (Fig. 2a). Les dépôts triasiques caractérisant Jebel Aziz et Jebel Zebbas sont représentés par du gypse, des grès, des calcaires et de dolomies (Fig. 2b). La série jurassique identifiée dans les massifs d’Oust et Aziz est composée de calcaires avec des intercalations marneuses (Fig. 2b). Les dépôts liasiques constituent le cœur du dôme du Jebel Oust. Le Crétacé est marqué par des alternances marno-calcaires (Fig. 2b) qui couvrent une large partie de la feuille de Bir M’Chergua (Fig. 2a). L’Eocène est représenté par des calcaires intercalés d’argiles riches en gypse (Fig. 2b). La série oligocène épaisse de 275 m (Jauzein, 1957) est formée de grès, sables et argiles. Les sédiments mio-pliocènes sont composés de calcaires, argiles sableuses, grès et conglomérats. Le Quaternaire est caractérisé par une croûte calcaire, d’argiles à intercalations sableuses, des galets et d’alluvions éoliennes argilo-gypseuses (Fig. 2b).

Les données de forages d’eau relatives à la région de Bir M’Chergua mises à notre disposition par le Commissariat Régional de Développement Agricole de Zaghouan montrent que cette région est caractérisée par différents aquifères dont l’âge s’étend du Jurassique au Quaternaire. Onze forages représentatifs sont sélectionnés et mentionnés sur la carte géologique (Fig. 2a).

Au niveau du Jebel Oust, les calcaires jurassiques à la base du forage 7 montrent des résistivités allant de 100 à 200 Ohm^.m (Fig. 3). Cependant, les eaux jaillissant de ce forage (Fig. 2a) sont caractérisées par une température de l’ordre de 50^° C et une salinité élevée de 16 g/l. Cette contradiction impose une question sur l’origine des eaux thermales du Jebel Oust.

Les dépôts crétacés qui affleurent largement dans la région de Bir M’Chergua renferment plusieurs aquifères composés de calcaires fissurés à différente perméabilité. Ceux d’âge barrémien et campanien –maestrichtien présentent de meilleures caractéristiques (Table 1) et sont ainsi les plus sollicités.

Les calcaires éocènes constituent un important aquifère particulièrement exploité dans la partie sud-est de la région de Bir M’Chergua. Etant donné la grande variabilité du taux de fracturation de ces calcaires, différents résultats sont obtenus au niveau des forages qui les traversent; le forage 9 (Fig. 1b) est négatif alors que le forage 8 situé à proximité (Fig. 1b) est productif avec un débit de 8,57 l/s et une salinité de l’eau de 1,66 g/l. Dans ce forage, les calcaires éocènes sont caractérisés par une transmissivité de 0,81 10^-4 m²/s et des valeurs de résistivité déterminées à partir des enregistrements diagraphiques qui atteignent 200 Ohm^.m (Fig. 4).

Dans la zone nord-est de Bir M’Chergua, ce sont plutôt les aquifères oligocène et quaternaire qui sont captés. Au niveau du forage 1 (Fig. 1b), l’aquifère oligocène composé essentiellement de sables et de grès est caractérisé par une bonne qualité de l’eau (salinité de l’eau: 0,8 g/l) et un débit relativement fort de 18 l/s. Peu profond, l’aquifère alluvial quaternaire est exploité par des puits de surface. Il s’étend vers l’est à la plaine de Mornag.

650 mesures gravimétriques couvrent le secteur d’étude selon une maille presque régulière d’un point par km². Elles sont fournies par l’Office National des Mines et acquises en 2009 avec un gravimètre Scintrex CG3 capable d’offrir une précision de 10^-3 mGals (Gabalda et al., 2003).

Le positionnement des stations gravimétriques est effectué par un système GPS bi-fréquentiels de type Leica. La projection adoptée est Lambert Nord en utilisant l’ellipsoïde de Clark 1880 et le datum Carthage.

L’anomalie de Bouguer a été calculée en tenant compte de toutes les corrections (correction à l’air libre, correction de Bouguer) et en adoptant une densité de réduction de 2,36 g/cm³ déterminée par de mesures directes sur des échantillons obtenus des affleurements des formations géologiques représentatives de la zone d’étude et de mesures indirectes par la méthode de Nettleton et celle de triplets (Schoeffler, 1975; Nely, 1986).

Afin d’exploiter au mieux les mesures gravimétriques et en extraire le maximum d’informations sur l’organisation du sous-sol de la région de Bir M’Chergua, différentes techniques qui ont généré différentes cartes ont été appliquées en utilisant le logiciel Geosoft Oasis Montaj 6.4. Geosoft est une société de développement des logiciels géophysiques et géologiques basée à Toronto, Canada et fondée en 1982 pa Ian MacLeod et Colin Reeves.

Les cartes d’anomalie de Bouguer, d’anomalie résiduelle, de la dérivée verticale et du gradient horizontal sont calculées.

La carte d’anomalie de Bouguer reflète toutes les variations de la densité en profondeur (Schoeffler, 1975; Blakely, 1996). Vu que notre objectif est l’étude des aquifères, nous allons nous focaliser essentiellement sur les hétérogénéités de masse proches de la surface.

La technique de prolongement vers le haut (Jacobsen, 1987; Zeng et al., 2007; Jacoby & Smilde, 2009) permet de filtrer les structures de faibles longueur d’ondes proches de la surface laissant apparaître les structures de plus grandes longueurs d’ondes (c’est un filtre passe bas); l’anomalie régionale est engendrée par des sources profondes caractérisées par une large extension horizontale alors que l’anomalie résiduelle résulte de sources situées près de la surface.

La dérivée verticale (Blakely, 1996) permet d’accentuer les anomalies gravimétriques de courtes longueurs d’ondes et de renforcer l’amplitude des structures géologiques proches de la surface. Cette technique tend à réduire le phénomène de coalescence des anomalies (Dubois et al., 2011).

La technique du gradient horizontal est très utilisée pour localiser les discontinuités en subsurface à partir de données gravimétriques (Fedi & Florio, 2001). Les maxima du gradient horizontal coïncident aux positions de ces discontinuités (Dubois et al., 2011).

La technique de déconvolution d’Euler, appliquée aux cartes magnétiques (Thompson, 1982) et gravimétriques (Reid et al., 2003) permet d’estimer la localisation des sources d’anomalies ainsi que leur profondeur.

Les solutions de la déconvolution d’Euler dépendent des paramètres suivants: l’indice structural (IS), la fenêtre (F) et la tolérance (T).

Dans notre étude, nous avons retenu les valeurs correspondant à IS = 0, F= 8 km et T= 20 % qui ont donné le meilleur regroupement des solutions. Par ailleurs, IS = 0 est généralement utilisé pour identifier les failles (Reid et al., 2003)

L’interprétation qualitative et quantitative des anomalies gravimétriques a permis d’approcher au mieux l’organisation des structures profondes de la région de Bir M’Chergua qui sont généralement associées aux jeux de failles de différentes directions.

Les anomalies positives du dôme du Jebel Oust, Jebel Fedja et Jebel Mouine correspondent à des anticlinaux résultant de la compression NW-SE du Miocène supérieur qui correspond à la phase paroxysmale de l’édification et l’installation de l’Atlas tunisien (phase atlasique) (Ben Ayed & Viguier, 1981; Bouaziz et al., 2002). Elles sont bordées par des accidents de direction NE-SW et E-W (Fig. 11). L’application de la compression N-S du Quaternaire ancien qui a donné la géométrie actuelle des structures atlasiques (Chihi, 1988; Mzali & Zouari, 2006) dans notre zone d’étude accentue les plis et réactive les accidents NE-SW et E-W en failles inverses avec une composante senestre pour les NE-SW.

Les anomalies négatives de Bir M’Chergua, Bled Boucha, Khelidia, Bled el Mengoub, Henchir el Mengoub et Henchir el Morra couvrent des dépressions d’accumulation de dépôts néogènes et quaternaires dont la plupart correspondent à des structures synclinales générées par la phase atlasique. Elles sont limitées par des linéaments orientés NE-SW, E-W et NW-SE (Fig. 11). Ces derniers répondent en failles normales à la compression N-S; les accidents tectoniques décrits en surface par Bajanik et al., 1977 et Kadri & Ben Haj Ali, 1999 comme étant les limites du fossé de Bir M’Chergua -Mograne sont les meilleurs exemples. Seul le réseau des failles traçant la bordure nord- orientale de ce fossé est déterminé dans la feuille de Bir M’Chergua; il correspond à F10 mis en évidence à partir de l’interprétation gravimétrique.

Le fossé de Bir M’Chergua est cité parmi les grabens transversaux au tracé de l’accident de Zaghouan (Turki, 1988).

A l’extrémité Sud –Ouest de la feuille de Bir M’Chergua, la faille inverse F6 et la faille normale F16 ont contribué conjointement à l’affaissement de la cuvette synclinale de Bled Boucha. La zone haute entre cette cuvette et la plaine de Bir M’Chergua correspond à la fois au compartiment soulevé de F16 à l’ouest et d’une faille inverse à l’est.

L’intersection de deux accidents profonds F6 et F16 identifiés au niveau du Jebel Aziz facilite l’ascension du matériel triasique.

Dans la partie orientale, le synclinal de Khelidia – Ain Djour est affaissé d’avantage sous l’effet du jeu inverse de F1 qui le sépare du dôme du Jebel Oust. Par ailleurs le jeu normal de F11 a effondré la partie nord-est de ce synclinal, caractérisée par des amplitudes plus faibles que la partie sud-ouest.

Dans la partie septentrionale, la dépression de Henchir El Halouan- Henchir El Mengoub est un compartiment affaissé à la faveur de trois accidents tectoniques: les failles normales F12 et F15 respectivement au Nord et à l’Ouest et la faille inverse F7 au Sud. L’effet conjugué de ces déformations a engendré l’approfondissement de cette zone et a favorisé son remplissage par des dépôts quaternaires à faible densité et peut ainsi expliquer l’importante anomalie négative qui la couvre. Le compartiment soulevé de la faille F12 coïncide avec la zone haute mise en évidence au niveau de Sidi Zouaoui. Le synclinal de Henchir El Morra correspond au compartiment soulevé de la faille F15. Les accidents E–W à NE–SW à jeu inverse F5 et F7 séparent ce compartiment et les structures hautes au Nord –Ouest, au Nord et au Sud.

L’anomalie négative de Henchir El Halouan- Henchir El Mengoub est très accentuée par rapport à celle de Henchir El Morra. Ceci peut être expliqué par une profondeur plus importante et par l’existence des sédiments quaternaires.

A l’extrémité Nord-Ouest de la carte, le jeu normal des failles F13 et F14 a générée une succession d’effondrements, traduite par une diminution progressive des réponses gravimétriques, depuis l’anticlinal du Jebel Fedja jusqu’au synclinal du Bled El Mengoub dont la limite Sud est tracée par la terminaison occidentale de l’accident majeur F7.

Le schéma structural de Bir M’Chergua ainsi établi (Fig. 11) montre des traits tectoniques extensifs et d’autres compressifs non reconnus auparavant. La mise en évidence de ces traits permet une meilleure connaissance de la structuration de l’Atlas septentrional en Tunisie.

La coexistence de différents traits tectoniques dans la région étudiée offre une complexité à la géométrie du son système aquifère. Le plissement des séries sédimentaires, la réactivation des accidents NE-SW et E-W qui délimitent les bombements anticlinaux de cuvettes synclinales en failles inverses et le jeu normal des accidents NW–SE sont à l’origine de la compartimentation de ce système en structures soulevées et affaissées. Les structures soulevées peuvent constituer des zones de partage des eaux ainsi que des zones de recharge préférentielles des dépôts perméables particulièrement au niveau des affleurements de calcaires crétacés qui constituent les principaux réservoirs dans ces zones. Les zones affaissées renferment généralement un aquifère multicouche; les couches crétacées atteintes à une profondeur relativement importante sont surmontées par d’autres tertiaires et/ou quaternaires.

Les structures reconstituées peuvent ainsi expliquer le changement de la profondeur d’une formation perméable entre deux points d’eau voisins tel est le cas des forages 4 et 5 (Fig. 11). En effet, l’aquifère barrémien est recoupé uniquement à 11m de profondeur par le forage 5 situé au niveau du compartiment soulevé de la faille inverse F6 alors qu’il est atteint à 40 m au niveau du forage 5 implanté dans le compartiment affaissé de cette faille (Fig. 12). Cette faille est enracinée et peut aussi générée des variations de profondeur ainsi que d’épaisseur dans les séries sédimentaires plus profondes, non atteintes par les forages d’eau 4 et 5.

Ces structures peuvent aussi jouer un rôle dans les relations entre les différents aquifères caractérisant la région et influencer la circulation et les caractéristiques des eaux souterraines. Les eaux thermales du Jebel Oust constituent un très bon exemple.

En effet, un modèle gravimétrique 2.5D de direction NNW-SSE qui recoupe le dôme du Jebel Oust (Fig. 13) a permis de déceler d’avantage la géométrie de cette structure et son effet sur l’écoulement souterrain.

La modélisation a été réalisée en utilisant le logiciel GM-SYS (Geosoft), les contrastes de densité ont été calculés par rapport à la densité de réduction des mesures gravimétriques. Les géométries des couches ont été construites en intégrant les différentes coupes géologiques construites par Solignac, 1927 et Castany, 1951 et en adoptant des densités moyennes représentatives des formations géologiques de la zone d’étude (Table 2).

Le modèle gravimétrique a été ajusté en comparant la réponse gravimétrique calculée à celle extraite de la carte résiduelle calculée d’un prolongement de 5 km (Fig. 13a).

Le modèle obtenu (Fig. 13b) révèle une concordance avec les résultats de l’interprétation qualitative; la forte anomalie coïncide avec la présence de calcaires jurassiques et crétacés. La faible anomalie correspond à la réponse des dépôts quaternaires de faible densité.

Les séries jurassique et crétacée du dôme du Jebel Oust sont affectées par des accidents tectoniques d’importante profondeur qui dépasse par endroits 1500 m. cette structuration explique l’origine des eaux thermales à forte salinité captées par le forage 7, implanté au niveau du Jebel Oust (massif jurassique); les accidents mis en évidence favorisent une pénétration profonde des eaux de recharge ainsi que leur contact avec les terrains triasiques riches en sels.

La présente étude a abouti à des résultats qui peuvent contribuer énormément à une exploitation rationnelle des ressources en eau souterraine de la région de Bir M’Chergua. L’intégration d’autres méthodes géophysiques telle que la sismique réflexion qui est actuellement inaccessible dans cette région ne peut qu’ améliorer ces résultats et apporter plus des précisions au schéma structural établi. Par ailleurs cette étude peut servir d’exemple pour d’autres projets ayant pour objectif une meilleure gestion des eaux dans les régions arides dans le monde.